浅谈注塑生产的自动化改造

胡美珠 沈志林 刘兴海 沈华权

摘要：随着高分子聚合材料在医疗、食品、电子电器、仪器仪表等各个领域的广泛应用，其产品的品质对注塑成型工艺的依赖程度越来越高，但随着原材料价格的上涨用工成本的增加，市场的激烈竞争，为了保住市场份额，迫使生产企业不得不挖掘潜力降成本，改变传统生产模式通过实行自动化改造改变传统人工密集、环境脏乱型生产模式，采用集中供料系统、机械手、模具监视器，配以传送机构等，以提高生产效率及产品质量，从而增强企业的竞争力，同时为企业树立现代化工厂的形象，从“制造”逐步向“智造”转变。

关键词：注塑成型;供料系统;机械手;模具监视器

中图分类号：TP2  文献标识码：A  文章编号：1672-9129（2020）02-0046-02

Abstract： with the polymer materials in medical treatment， food， electronic appliances， instruments and meters and other fields are widely used， its product quality more and more dependent on plastic injection molding process is high， but with the increase of raw material prices rising labor costs， to the fierce competition in the market， in order to retain market share， forced production enterprises to explore potential cost reduction， change the traditional mode of production by implement automation transformation to change traditional labor intensive， filthy environment， production mode， adopt centralized feeding system， manipulator， mold monitor， with the transmission mechanism， etc.， in order to improve the production efficiency and product quality， So as to enhance the competitiveness of enterprises， at the same time for enterprises to establish the image of modern factories， from "manufacturing" gradually to "intelligent manufacturing" change.

Key words： injection molding; Feeding system; Manipulator; Mold monitor

1  概述

注塑成型工艺是高分子材料制品加工中非常重要的成型工艺，所涉及的行业及领域甚广，如医疗、食品、化工、电子电器、仪器仪表。注塑成型必须借助注塑机和模具才能完成。注塑成型工艺原理是：将经加热处于熔融状态的高分子聚合材料以一定压力快速喷注入闭合的模具型腔内，再经冷却固化定型即得到成型制品的工艺过程。注塑成型适用于全部热塑性材料和部分热固性高分子材料，塑胶产品的大部分成品或零部件都是注塑成型制造的。注塑成型工艺的优点是制品花色多，制品尺寸精确，尺寸可由大到小，形状可以由简单到复杂、产品造型美观，通过更换模具产品容易更新换代，根据产品大小、产量需求估算，结合注塑机配置设计一模出数，操作可实现自动化，生产效率高、适合大批量高分子材料产品加工领域。不利的一面是设备与模具成本高、成型工艺技术专业性极强，使用维护不当，易导致制品质量问题及设备和模具损伤。

2  注塑成型生产的发展趋势

注塑成型生产包含以下步骤：一、准备材料：一种情况是采用全新的塑胶原料，另一种是将全新塑胶原料与回收的水口等二次料按适当的比例通过混料机混合;二、配料着色：根据产品设计要求，对于需要着色的零件，则注塑前先在塑胶原料里添加相应的着色剂或色母料，充分混合均匀;三、原料干燥：因大多数高分子聚合材料具有一定吸湿性，原料中或多或少含有一些水分，水分对注塑制品的外观及性能有不良影响，因此，在注塑成型前需通过干燥机对原料进行烘干处理;四、注塑成型：对塑胶原料进行前处理后，利用注塑机和模具按评定的合适的工艺参数进行加工生产，一个完整的成型过程通常包含合模、注射、保压、冷却固化、开模等动作过程[1];五、取成型制品、检查、去水口;六、制品传送、废料回收。

注塑成型工艺从设计到生产管理是一个系统工程，涉及的知识面极广;首先产品、模具结构设计要合理，要考虑高分子材料的特性，避免壁厚、圆角不合理导致的缩水、应力集中开裂问题，避免脱模不畅，拉伤顶裂产品;要保障注塑机性能，设定适宜的注塑工艺参数，不同颜色产品色粉或色母粒的配比使用，成型制品的外观、性能测试，质量评判;车间现场保持整洁有序、设备人员安全等。注塑成型工艺设计不当或生产管理工作不到位，就会出现如一模出数少，生产效率低;水口多，原材料损耗大，脱模不畅，产品拉伤、顶裂，导致不良率高，甚至出现一些应力集中，短期问题不显现，库存一段时间后或已发到客户手中才暴露，导致产品批量报废或客户退货;模具使用不当损伤问题导致生产受到影响、不能按期交货及发生安全生产事故等问题。我国不少注塑加工制造企业仍旧依靠廉价劳动力做些重复劳动工作，停留在“劣质、低效、高耗”的作坊式生产管理模式，如今原材料价格飞涨，但产品的价格却因为竞争激烈并未跟着上涨甚至降低，另外隨着社会的发展，人们经济条件的好转，人们不再只关注薪资的高低，就业环境的好坏也是择业重点考虑的选项;目前全国制造业面临人力缺乏、人工成本持续高涨，企业面临越来越多的挑战，针对上述问题，采用自动化系统以节能、环保、减少人工，提高产品质量和生产效率来提高企业竞争力，已经成为业界的共识。

3  供料系统改造

注塑车间采用集中供料系统可实现将多种原料自动供给不同的注塑机使用，其中包括原料从烘干、配色到水口料的粉碎并按比例回收利用，能够实现这些过程自动化控制及监测，能保障24小时连续生产需要。集中供料系统集成度高，操作简易人性化，只需少数几个人即可控制整个注塑生产的供料需求，从而大大减少了人力成本。其次，减少了在注塑机旁堆放原料及配置上料、回料粉碎等辅助设备，提高了生产现场空间的利用率。集中供料系统可以根据产品要求、原料使用要求、车间布局设计出最优的方案，将使原料及粉尘对注塑生产的污染减至最低的程度，可以保持洁净的车间环境，降低噪音，实现无人化的自动化生产车间，树立现代化工厂管理的形象。综上所述，注塑车间采用集中供料系统，具有高效、節能、个性化优点及现代化工厂的形象。

4  机械手的应用

对于注塑成型加工制造商而言，时间就是金钱，想要提高生产效率就需要争分夺秒，使用更高速、更灵活、更大负载的注塑机机械手设备，是实现自动化生产，提高生产效率实现成倍增长的利器。注塑成型生产实现自动化是企业发展的趋势，也是企业提高市场竞争力的主要手段。所谓“工欲善其事，必先利其器”，注塑机械手是为实现注塑生产自动化配备的专业智能集成机械装备，它可以替代人完成简单、重复的体力劳动，提高了安全生产保障;机械手是通过可编程控制的，能够模仿人体上肢的部分功能，使其按照设定要求输送制品或进行生产操作的自动化生产设备[2]。它能够提高注塑成型的生产效率、保持产品质量稳定、降低产品不良率，从而降低生产成本、增强企业的市场竞争力。因此，机械手在注塑成型生产中发挥越来越重要的作用。机械手取出产品放置在输送带上输送至指定位置使无人全自动化操作变为可能，自动流水线更能够节省场地，使得整个厂规划更小，规划布局更加紧凑、管理更方便。

5  模具监视器的应用

模具作为注塑生产的关键设备，在整个注塑生产过程中，如因为不合理使用、不合规定的操作，会导致模具损伤，从而导致产品出现质量问题，交期延误、材料浪费，注塑机运行时，每个周期内因为成型塑件残留或滑块错位模具都有损坏的风险，给企业造成不可挽回的重大损失，另外，模具在注塑生产成本中占据较大的比例，其使用寿命也直接影响企业的生产硬件成本。实际生产过程中，企业经常碰到以下问题：1、注塑过程经常出现顶针卡死或粘模等现象，影响生产效率;2、模具故障频繁，需要专人来维护和检修，增加人工成本;3、停机修模，维修时间2-3天甚至更长时间，维修费用高达几千元到几万元甚至到几十万元;4、交货期延长，面临赔偿违约金的风险，最高达30%;5、不良品流出，客户投诉，产品退货，影响企业信用;因此，对注塑生产过程中的模具运行动作状态进行全程监视，通过视觉系统的CPU对反馈数据进行实时处理，当出现异常时发出信号引导注塑设备自动停机是极其必要的！

机械手在注塑生产过程的应用，极大提高了生产效率、提高了生产质量的稳定性;但机械手只是替代人工，没有视觉的功能，机械手的主要作用是把产品或水口取出;以及把植入镶件埋入;简单来说就是把已经成型的塑料制品搬运出来，或者把外部的镶件搬到模具内部进行镶嵌注塑，是点到点的搬运;机械手的动作是通过液压或气压驱动的，液压或气压回路是通过电磁阀的动作切换的，假如控制电磁阀的电路、电磁阀出现异常，或液压、气压调节不当，都可能导致机械手夹取物品失败;或者在放东西的时候东西没有放掉就回到了原点，这种现象没法避免;为了检测机械手是否夹到物品，通常会给机械手装上夹检测/真空负压检测/抱具检测。检测原理一般使用磁性开关或微动开关判断夹治具气缸的活塞位置而判断夹治具的状态，比如说夹水口时我们需要知道夹子有没有夹到产品，需要把感应器调到一个夹住水口亮灯有信号，夹不到和打开的时候都是没有信号的状态，从而完成夹具检测。当有多个夹具时，把信号进行串联实现检测。但是在实际应用中，有很多模具机构使用机械手有时候会单独取出水口而产品自然脱落，或者单独取出产品而水口自然脱落，或者在植入镶件时我们只能保证机械手已经放置但是无法确认放置是否正确到位，所以机械手只是提高了生产自动化，并不能保证模具安全。这样就有必要增加视觉系统[3]，对注塑机运行情况进行实时监视、分析判断、输出控制，发现异常情况时，锁定注塑机，起到保护模具，防止压模，以免造成模具损坏导致的重大损失及停产风险。

模具监视器，又称模具保护器、模具电子眼，可对各类型的注塑机在进行模具开模、脱模、合模的运行过程中，进行实时监视、控制，以保护模具避免非正常损坏。模具监视器由高分辨率的工业相机（或机器视觉系统）、CPU系统、外设端口控制系统等组成。通过工业相机对运行过程中的模具在开模、脱模、合模时抓拍图像，通过CPU对图像进行灰度等级处理以及特定的算法处理，有效判断当前产品是否存在异常，当前模具运行是否存在隐患，如发现异常或分析存在安全隐患，模具保护器则发出异常信号，停止注塑机动作并报警提醒现场作业人员来确认警报情况并进行下阶段处理。

6  输送带的应用

输送带是自动化生产改造不可或缺的一部分，若机械手把注塑产品从注塑机模具取出来并放入中转箱内，然后通过相关物流运输到下一工序或车间进行下一工序作业，这样不光会增加物流成本，而且在运输过程容易把产品擦花，影响产品质量，尤其不适合高端产品。另外也容易使生产现场出现分散凌乱的现象，不利于生产现场管理。同时，注塑机在生产过程中，塑料粒子熔融需要加热，加热会使周边温度升高，材料高温裂解也会排放出有毒的气体，影响车间的作业环境及危害作业人员的身体健康，使作业人员流动性较大。如辅以输送技术让所有的注塑产品输送到环境舒适的作业区域，原来车间繁忙的物流会变得顺畅，员工的工作环境也会得到改善。

7  总结

注塑车间通过改造，采用集中供料系统、机械手、模具监视器，配以输送传递机构，能极大改善车间环境，提高生产效率、降低人力成本，提高产品质量，特别是在生物医药制造领域，更是可以通过自动化改造减少产品的直接接触，降低初始微生物负载，对于保证产品的最终灭菌效果至关重要，通过改造也极大增强了企业的竞争力，引领制造业向“智造”转型。

参考文献：

[1]梁明昌，注塑成型工艺技术与生产管理，化学工业出版社，2014-01.

[2]滕宏春，皱华东，张惊雷，钱军，工业机器人与机械手，电子工业出版社，2015-02

[3]吕景泉，蒋正炎，陈永平，汤晓华，工业机械手与智能视觉系统应用，中国铁道出版社，2014-04

作者简介：胡美珠（1969-）通信工程专业本科长期在企业和事业单位从事信号处理和自动控制仪器设备的研发。

沈志林（1971-）浙江省杭州市人。大学本科学历，职务：总经理。研究方向为食品、药品微生物检测与控制技术。

刘兴海（1979-）机械制造及自动化专业大学本科学历，长期在生物医疗领域从事高分子聚合材料类产品的结构与模具设计研发。

沈华权（1982-）电子电气技术专业大学专科学历，长期从事仪器设备的控制系统设计与开发工作。